先进钢铁材料焊接性研究进展

作者:彭云;宋亮;赵琳;马成勇;赵海燕;田志凌 刊名:金属学报 上传者:李凤梅

【摘要】进入21世纪以来;随着各工程领域对高性能钢铁材料需求的多样性和要求的提高;新一代先进钢铁材料研发随之展开;其相应的焊接材料和焊接技术成为材料应用的关键;本文重点介绍了超细晶粒钢、低碳贝氏体钢、高氮奥氏体不锈钢、高强汽车钢等先进钢铁材料的焊接工艺与接头组织性能的研究现状与进展;就焊接接头的微观组织演化、焊接接头性能、夹杂物和马氏体-奥氏体(M-A)组元的形成与影响、合金元素和热输入对焊缝组织性能的影响等进行了详细评述;研究表明;焊接热影响区是影响焊接接头性能的主要区域;同时要采用适当的焊材及工艺才能获得性能匹配的焊缝;并对焊接接头的强韧化机理、疲劳裂纹扩展机理、焊接热过程对钢材组织和性能的影响等方面的研究进行了评述;最后;对焊接材料和工艺的未来研究方向进行了展望;

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进入21世纪以来,随着科技的进步,船舶、汽车、建筑、能源、装备制造等领域对于钢铁材料性能提出了更高要求。经济建设和社会发展要求大幅度提高钢的强韧性,以适应不同的需求。随着节能环保、绿色发展理念的不断深入,低成本高性能的钢铁材料得到更广泛应用。以日本、韩国为代表的国家自20世纪90年代起,开始研究“强度翻番,寿命翻番”的新一代钢铁材料,以满足高强度、高安全性、长寿命、低成本、节约资源和环保的要求。我国自1997年启动“新一代微合金高强高韧钢的基础研究”国家攀登项目以来,经过20余年发展,依托“973”等重大基础研究项目支撑,在超细晶粒钢、超低碳贝氏体钢、高氮钢、中锰钢等领域取得突破。焊接是钢铁材料加工成型的一项基础工艺。焊接性是考察新型钢铁材料能否进入工业生产的重要指标之一。由于焊接冶金过程的特点,焊接接头难以靠轧制及热处理工艺获得良好的组织与性能,因此焊接接头往往成为结构的薄弱环节。如何保障良好的焊接性能,是钢铁材料研发不可忽视的问题。1超细晶粒钢的焊接超细晶粒钢是一种强度和韧性都有明显提高的新一代钢种。它在热机械控制工艺(TMCP)技术基础上发展起来,依靠形变诱导形核和控轧控冷工艺,最终得到微米级和亚微米级的细小晶粒,从而提高力学性能。超细晶粒钢在焊接时最大的问题是热影响区(HAZ)的晶粒长大倾向。为解决这一问题,常采用激光焊、超窄间隙熔化极活性气体保护焊(MAG)、脉冲MAG等低热输入方式的焊接方法。因此,超细晶粒钢焊接最主要的问题是探索合适的焊接方法,研究晶粒长大规律、动力学及其影响因素,从而寻找防止晶粒长大的有效措施。这些问题都集中在热影响区,因此对于HAZ的研究成为焊接研究的关键。另外,不同的焊接方法,也会得到不同的组织和性能。在实际应用中,必须根据具体性能要求采用合适的方法和工艺。1.1超细晶粒长大与组织转变在对400 MPa级超细晶粒钢的焊接接头研究[1]中发现,HAZ是接头的薄弱环节。一方面由于晶粒长大驱动力与晶粒尺寸成反比,超细晶粒钢本身驱动力已经很大;另一方面,400 MPa级的钢中碳氮化物形成元素几乎没有或者含量极少。因此,在焊接热影响区出现了严重的晶粒长大倾向,粗大的晶粒损害了接头的性能,使得焊接接头的强度和韧性随之下降[2]。由于焊缝金属为凝固态组织,没有经过母材同等的工艺处理,因此,为了获得与母材同等的强度,常采用添加合金元素的方法进行改善。所以,在进行超细晶粒钢焊接时,应按照焊缝金属的成分计算优化预热温度[3]。在焊接冷却过程中,热影响区金属会先于焊缝金属从奥氏体转变为铁素体,这就导致了氢从热影响区向焊缝扩散。相比于普通低碳钢的焊接,这种扩散方向恰恰相反。因此在超细晶粒钢焊接时,更容易在焊缝金属中产生冷裂纹。在焊缝冷却过程中,由于冷却时间不同,会形成不同的组织。若用t8/5(从800℃降到500℃的时间)来衡量冷却时间的影响,当t8/5较小时,冷却形成的组织为下贝氏体,具有较好的韧性;当t8/5较大时,冷却形成的组织为上贝氏体和侧板条铁素体,韧性下降。在实际应用中,为了提高韧性经常使用多层多道焊工艺。当前一焊道热影响区的温度在后一焊道峰温的奥氏体转变开始温度(Ac1)和奥氏体转变终了温度(Ac3)之间时,前一焊道热影响区的粗晶区(CGHAZ)会出现碳化物溶解。其产生的可扩散碳会聚集在奥氏体。这部分高碳奥氏体在随后的冷却过程中会转变为韧性很差的马氏体-奥氏体(M-A)组元[3],造成韧性损失。在对不同纯净度的X65钢的焊接研究[4]中发现,下贝氏体和低碳马氏体的韧性均较好,且下贝氏体的韧性优于低碳马氏体。但是由于上贝氏

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